JP5481801B2 - 燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体。 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質型セルを用いた燃料電池による発電を行う燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体に関する。

従来、特許文献１，２に開示された燃料電池システムがある。
特許文献１に記載されている燃料電池システムは、電極に析出したカーボンを除去するために、空気極と燃料極の間で電位印加を行う構成のものである。

また、特許文献２に記載されている燃料電池システムは、析出したカーボンに、酸化剤ガスを供給することにより、燃料から除去する構成のものである。
特開２００３−２４３０００号公報 特開２００２−３５２８４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、効率が悪い上に、電極温度が高くなって耐久性が低下し、さらには、過剰の酸素イオンによって電極酸化が起こりやすいという欠点がある。
一方、特許文献２に記載された燃料電池システムでは、酸化剤ガスの消耗によって、燃料利用率が悪く、また、酸化剤ガスの混入により電極が酸化しやすいという問題がある。

そこで本発明は、電極に析出した炭素を発電を継続しながら除去するとともに、耐久性を高めることができる燃料電池システム、燃料電池システムに用いるプログラム、及び情報記録媒体の提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、それら二種類のガスのうち、燃料極に流接する一方のガスの流通量を増減調整するための流量調整部と、上記燃料極の炭素析出を検知する炭素析出検知センサと、通常の発電を行うように一方のガスと他方のガスとを流通させる定常運転モードから、一方のガスの燃料電池への流入量を低減させ、かつ、他方のガスを定常運転モード時と同様に流通させる析出カーボン処理モードに切り替えるための判別基準情報を記憶した記憶部とを有するものである。
本発明においては、上記炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量と判別基準情報に基づいて、当該炭素析出量に所定量の増加があるか否かを判別する炭素析出判別手段と、この炭素析出判別手段により、当該炭素析出量に所定量の増加があると判別したときには、上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように低減させるガス流量調整手段とを有している。

上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池システムに用いるプログラムは、固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、それら二種類のガスのうち、燃料極に流接する一方のガスの流通量を増減調整するための流量調整部と、上記燃料極の炭素析出を検知する炭素析出検知センサと、通常の発電を行うように一方のガスと他方のガスとを流通させる定常運転モードから、一方のガスの燃料電池への流入量を低減させ、かつ、他方のガスを定常運転モード時と同様に流通させる析出カーボン処理モードに切り替えるための判別基準情報を記憶した記憶部とを有する燃料電池システムに用いるものである。
本発明においては、上記炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量と判別基準情報に基づいて、当該炭素析出量に所定量の増加があるか否かを判別する機能と、当該炭素析出量に所定量の増加があると判別したときには、上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように低減させる機能を、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを特徴としている。

本発明に係る情報記録媒体は、上記した燃料電池システムに用いるプログラムを記録していることを特徴としている。

本発明によれば、発電を継続しつつ燃料電池の電極に析出した炭素を除去するとともに、耐久性を高めることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図２は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。また、図３（Ａ）は定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えるための判断基準情報の説明図、（Ｂ）は析出カーボン処理モードから定常運転モードに切り替えるための判断基準情報の説明図である。
なお、図３において、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は時間（ｔ）をそれぞれ示している。

図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、一例に係る燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、炭素析出検知センサ１０及び流量調整部２０を主要の構成としたものである。

燃料電池Ｂは、複数の固体電解質型セルユニットを互いに間隙をもって連通させて重合してなるセルスタックをケース（いずれも図示しない）に収容したものであり、そのセルスタック内外に、二種類のガスを流通させることによる発電を行うようにしたものである。

固体電解質型セルユニットは、セパレータとセル板との間に、燃料極と空気極とを電解質の両側に対置した固体電解質型セルとユニット内集電体とを収容するとともに、セル板の下面にユニット外集電体を配設し、また、それらを共通の軸線を中心として同軸的に整列させた円盤形にしたものである。
本実施形態における二種類のガスは、一方のガスが炭化水素燃料、他方のガスが空気である。

燃料電池Ｂには、これに炭化水素燃料を流入させるための流入路１１と、空気を流入させるための流入路１２、ケース内を流通した炭化水素燃料を流出させるための流出路１３、スタック内を流通した空気を流出させるための流出路１４が配設されている。

本実施形態において示す炭素析出検知センサ１０は、燃料電池Ｂの出力として出力電圧を検知する電圧計である。

流量調整部２０は、炭化水素燃料の流入路１１に配設した開閉弁２１と、この開閉弁２１を開閉駆動する弁駆動部（図示しない）を有して構成されたものであり、詳細を後述するコントローラユニットＣから出力される駆動信号により開閉駆動されるようになっている。

コントローラユニットＣは、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラ３０と、情報記録媒体であるハードディスク等からなる記憶部３１とを有するものであり、その記憶部３１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、下記の各機能を発揮する。

燃料電池システムに用いるプログラムは、炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量の増減を判別する機能と、当該炭素析出量に所定の増減があると判別したときには、上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを増減調整する機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを内容としている。

本実施形態においては、コントローラユニットＣが、燃料電池システムを統制するコンピュータである。
「プログラムを記憶若しくは記録している」ことには、所定の形式でデータ圧縮された状態で記録されているもの、自己解凍形式にして記録されているもの、実行可能にして記録されているものの等の他、当該プログラムのソースコードを記録していることも含む。
また、「情報記録媒体」としては、上記したハードディスク等に限るものではなく、フロッピィーディスク，コンパクトディスク，ディジタルビデオディスク，光磁気ディスク，可搬型ハードディスク，可搬型メモリ等のものが含まれる。すなわち、記録形式も磁気的なものに限らず、情報記録媒体の記録構造に合わせたものを含む。

記憶部３１には、上記所要のブログラムの他、図３（Ａ），（Ｂ）に示す判別基準情報を記憶されている。
判別基準情報は、定常運転モードにおける電圧の変化量ΔＶ（１）、予め設定した出力電圧の所要の変化量、本実施形態においては、析出カーボン処理モードに切り替えるための出力電圧の減少量ΔＶ（２）、析出カーボン処理モードにおける出力電圧の変化量ΔＶ（３）、定常運転モードに切り替える基準となる予め設定した出力電圧の所要の減少量ΔＶ（４）等を含んでいる。

（１）上記炭素析出検知センサ１０によって検知した炭素析出量の増減を判別する機能。
この機能を「炭素析出判別手段３０ａ」という。
本実施形態においては、上記燃料電池Ｂの出力電圧を検知する電圧計から出力された出力電圧の増減を判別している。

（２）炭素析出判別手段３０ａにより、当該炭素析出量に所定の増減があると判別したときには、上記流量調整部２０を介し、一方のガス（炭化水素燃料）の流量のみを増減調整する機能。この機能を「ガス流量調整手段３０ｂ」という。
すなわち、空気の流入量を変えることなく、一方のガス（炭化水素燃料）の流量のみを増減調整する。

本実施形態においては、炭素析出判別手段３０ａにより、炭素析出検知センサ１０によって検知した燃料電池Ｂの出力電圧が減少したと判別されたときに、流量調整部２０を介して一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させている。
「流量を低減」させることには、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を零にすること、換言すると、止めてしまうことの他、定常運転モード時よりも少ない所定の流量を流し続けることをも含む。
この場合、燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように、一方のガスを低減するようにしてもよい。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ１の動作について、図４を参照して説明する。図４は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。
本実施形態における「定常運転モード」とは、通常の発電を行うように炭化水素燃料（一方のガス）と空気（他方のガス）とを流通させている状態をいう。なお、図４には定常運転時と記載している。
また、「析出カーボン処理モード」とは、炭化水素燃料の燃料電池Ｂへの流入量を低減させ、かつ、空気を定常運転モード時と同様に流通させることにより、発電を継続して行っている状態をいう。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：出力電圧の減少量ΔＶ（２）が、定常運転モードにおける出力電圧の変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったか否かを判別する。ここで、上記減少量ΔＶ（２）が、変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったと判別されれば、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させるように閉駆動してステップＳ３に進む。本実施形態においては、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を零にしている。このステップＳ２において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ３：出力電圧の所要の減少量ΔＶ（４）が、出力電圧値の変化量ΔＶ（３）よりも大きいか否かを判別する。ここで、出力電圧の所要の減少量ΔＶ（４）が、出力電圧値の変化量ΔＶ（３）よりも大きいと判別されれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ１に戻る。これにより、定常運転モードに切り替えている。

ところで、炭化水素燃料の供給時には、下記の反応が生じる（ドライ燃料の場合）。
（ａ）ＣｘＨｙ → ｘＣ＋ｙＨ （炭化水素燃料の熱分解反応）
（ｂ）Ｈ_２＋Ｏ_２− →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ
（ｃ）Ｃ＋Ｏ_２−→ＣＯ_２＋２ｅ
（ｄ）ＣｘＨｙ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２
（ｅ）ＣＯ＋Ｏ_２− →ＣＯ_２＋２ｅ

上記（ａ）式に示す熱分解反応速度は、（ｂ）〜（ｅ）の各反応より早く進行するため、カーボンが電極上に析出しやすくなる。
この析出カーボンを完全に除去するために、炭化水素燃料の供給を停止又は低減し、かつ、空気を流通させ続ける。このようにして電流の取り出し、すなわち発電を継続すれば、酸素イオンが析出カーボンと電気化学酸化反応が起こりやすくなり、析出カーボンの除去ができるのである。

炭化水素燃料を完全に停止する代わりに、炭化水素燃料の供給量を減らせば、（ａ）式に示す反応によるカーボンの生成量を減らせ、（ｂ）〜（ｅ）までの反応が進むようになり、析出カーボンの除去ができる。
そして、析出カーボンを除去した後、通常運転モードに復帰させて、発電を継続するのである。

以上のようにして、出力電圧の検知に基づいて、流量調整部の開閉駆動を繰り返し、従ってまた、従来のような余分の電源、酸化剤の配管を必要とすることなく、カーボンの析出による電極劣化を防止でき、優れた耐久性を持たせることができる。
また、炭化水素をプレ改質するために加える水量を減らすことができ、水管理を容易に行うことができる。

次に、図５〜７を参照して、第二の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図５は、第二の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図６（Ａ）は定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えるための判断基準情報の説明図、（Ｂ）は析出カーボン処理モードから定常運転モードに切り替えるための判断基準情報の説明図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２は、燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、炭素析出検知センサ４０、及び流量調整部２０を主要の構成としたものである。
本実施形態において示す炭素析出検知センサ４０は、燃料電池Ｂの出力として出力電流を検知する電流計である。

記憶部（図示しない）には、上記所要のブログラムの他、図６（Ａ），（Ｂ）に示す判別基準情報を記憶されている。
判別基準情報は、定常運転モードにおける電流値の変化量ΔＩ（１）、予め設定した出力電流の所要の変化量、具体的には、出力電流の減少量ΔＩ（２）、析出カーボン処理モードにおける出力電流値の変化量ΔＩ（３）、定常運転モードに切り替える基準となる予め設定した出力電流の所要の減少量ΔＩ（４）等である。

なお、コントローラユニットＣが、炭素析出判別手段３０ａと、ガス流量調整手段３０ｂとを有していることは、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１と同様である。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ２の動作について、図７を参照して説明する。図７は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：定常運転モードにおいて、出力電流の減少量ΔＩ（２）が電流値の変化量ΔＩ（１）よりも大きくなった否かを判別する。ここで、出力電圧の減少量ΔＩ（２）が、電圧値の変化量ΔＩ（１）よりも大きくなったと判別されれば、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させるように閉駆動してステップＳ３に進む。このステップＳ２において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ３：出力電流の所要の減少量ΔＩ（４）が、出力電流値の変化量ΔＩ（３）よりも大きいか否かを判別する。ここで、出力電流の所要の減少量ΔＩ（４）が、出力電流値の変化量ΔＩ（３）が大きいと判別されれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ１に戻る。これにより、定常運転モードに切り替えている。
以上の構成によれば、第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１と同様の効果を得ることができる。

図８〜１１を参照して、第三の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図８は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図９は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。また、図１０は、析出カーボン処理モードにおける炭化水素燃料の送給状態を示す説明図である。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示すように、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３は、燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、経過時間計測部４５、及び流量調整部２０を主要の構成としたものである。
経過時間計測部４５は時間カウンタであり、一方のガスの流通開始からの経過時間を計測する機能を有しており、計測された経過時間情報は、コントローラユニットＣに出力されるようになっている。
コントローラユニットＣの記憶部３１には、図１０に示すように、流量調整部２０を開状態にしておく開時間ｔ１と、その流量調整部２０を閉状態にしておく閉時間ｔ２とが記憶されている。

コントローラユニットＣは、上記記憶部３１に記憶されている所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。

（３）経過時間計測部４５によって所定の経過時間として上記開時間ｔ１が経過したか否かを判別する機能。この機能を「経過時間判別手段３０ｃ」という。
このような経過時間判別手段３０ｃを用いた場合、ガス流量調整手段３０ｂは、経過時間判別手段３０ｃにより、上記開時間ｔ１が経過したと判別したときには、上記流量調整部２０を介し、出力の変化に応じて一方のガスの流量のみを低減する。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ３の動作について、図１１を参照して説明する。
図１１は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：所定の経過時間としての上記開時間ｔ１が経過したか否かを判別する。ここで、上記開時間ｔ１が経過したと判別されれば、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させるように閉駆動してステップＳ３に進む。このステップＳ２において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ３：上記閉時間ｔ２が経過したか否かを判別する。ここで、上記閉時間ｔ２が経過したと判別されれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ１に戻る。これにより、定常運転モードに切り替えている。

次に、図１２〜１５を参照して、第四の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１２は、第四の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図１３は、コントローラユニットの機能を示すブロック図である。
また、図１４（Ａ）は定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えるための判断基準情報の説明図、（Ｂ）は析出カーボン処理モードから定常運転モードに切り替えるための判断基準情報の説明図である。図１５は、再起動時、定常運転モード、及び析出カーボン処理モードにおける炭化水素燃料の供給状態を示す説明図である。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４は、燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、出力検知センサ１０、及び流量調整部２０を主要の構成としている点において、上記第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１と同等のものである。

コントローラユニットＣの記憶部３１には、上記した燃料電池システムに用いるプログラムの他、図１４（Ａ），（Ｂ）に示す判別基準情報が記憶されている。
判別基準情報は、再起動時における電圧値の変化量ΔＶ（１）、出力電圧の減少量ΔＶ（２）、通常発電時における出力電圧値の変化量ΔＶ（３）、析出カーボン処理モードに切り替える基準となる予め設定した出力電圧の所要の減少量ΔＶ（４）等を含んでいる。

本実施形態におけるコントローラユニットＣは、上記した出力判別手段３０ａ、ガス流量調整手段３０ｂに加えて、次の機能を有している。
・発電停止後に再起動されたか否かを判別する機能。この機能を「再起動判別手段３０ｄ」という。
再起動されたか否かは、燃料電池Ｂの温度や発電を停止してからの経過時間、若しくはそれらの組み合わせ等に基づくものであり、上記した記憶部３１に予め記憶されている。

この場合、上記したガス流量調整手段３０ｂは、上記再起動判別手段３０ｄにより再起動したと判別されたときには、流量調整部２０を介して一方のガスの流量を停止する。
すなわち、図１５に（イ）示すように、一方のガスを燃料電池Ｂに送給しない状態での発電を行うのである。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ４の動作について、図１６を参照して説明する。図１６は、再起動直後の第一の析出カーボン処理モードから定常運転モード、定常運転モードから第二の析出カーボン処理モードに切り替える処理を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同じ。）再起動されたか否かを判別し、再起動したと判別されたときには、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２：他方のガス（空気）を送給したまま、一方のガス（炭化水素燃料）の送給を停止してステップＳ３に進む。これにより、電極に析出したカーボンを除去することができる。図１５においては（イ）で示している。

ステップＳ３：出力電圧の減少量ΔＶ（２）が、出力電圧の変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったか否かを判別する。ここで、出力電圧の減少量ΔＶ（２）が、出力電圧の変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったと判別されれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４：流量調整部２０を、一方のガスを定常運転時の流量となるように開駆動してステップＳ５に進む。これにより、定常運転モードに切り替えられる。この定常モードは、図１５において（ロ）で示している。

ステップＳ５：出力電圧の減少量ΔＶ（４）が、出力電圧の所要の変化量ΔＶ（３）よりも大きいか否かを判別する。ここで、出力電圧の所要の変化量ΔＶ（３）よりも、出力電圧値の減少量ΔＶ（４）が大きいと判別されれば、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６：一方のガスの流量を低減させるように、流量調整部２０を閉駆動してステップＳ３に進む。本実施形態においては、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を零にしている。このステップＳ６において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。図１５においては（ハ）で示している。

第五の実施形態に係る燃料電池システムについて、図１７，１８を参照して説明する。図１７は、第五の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図１８は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。なお、上述した各実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５は、燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、炭素析出検知センサ１０、流量調整部２０、及び温度調整機構５０を主要の構成としたものである。

温度調整機構５０は燃料電池の温度を調整するためのものであり、例えばバーナーやヒータを有して構成されている。
この温度調整機構５０は、コントローラユニットＣから送出される加熱開始信号の受信によって加熱を開始し、また、加熱停止信号の受信によって加熱を停止することができるようになっている。

本実施形態におけるコントローラユニットＣは、上記した炭素析出判別手段３０ａ、ガス流量調整手段３０ｂに加え、記憶部３１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、次の機能を有している。

・炭素析出判別手段３０ａにより、当該炭素析出量に所要の減少があると判別したときには、温度調整機構５０による燃料電池Ｂの加熱を開始させる機能。この機能を、「加熱 開始手段３０ｅ」という。
本実施形態においては、上記燃料電池Ｂの出力電圧を検知する電圧計から出力された出力電圧の増減を判別している。

・炭素析出判別手段３０ａにより、当該出力電圧に所要の変化がなくなったと判別したときには、温度調整機構５０による燃料電池Ｂの加熱を停止させる機能。この機能を、「加熱停止手段３０ｆ」という。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ５の動作について、図１９を参照して説明する。図１９は、温度調整機構を設けた場合における定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：出力電圧の減少量ΔＶ（２）が、定常運転モードにおける出力電圧の変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったか否かを判別する。ここで、上記減少量ΔＶ（２）が変化量ΔＶ（１）よりも大きくなったと判別されれば、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させるように閉駆動してステップＳ３に進む。このステップＳ２において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ３：温度調整機構５０により、燃料電池Ｂの加熱を開始して、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４：出力電圧の減少量ΔＶ（４）が、出力電圧の所要の変化量ΔＶ（３）よりも大きいか否かを判別する。ここで、出力電圧の所要の変化量ΔＶ（３）よりも、出力電圧値の減少量ΔＶ（４）が大きいと判別されれば、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ６に進む。これにより、定常運転モードに切り替えている。
ステップＳ６：温度調整機構５０により、燃料電池Ｂの加熱を停止して、ステップＳ１に戻る。
上述したように、上記の温度調整機構５０を設けることにより、析出カーボン処理モードでの発電を行っているときに、発電量が少ないために熱自立が困難になることを防止することができる。

次に、第六の実施形態に係る燃料電池システムについて、図２０〜２２を参照して説明する。図２０は、第六の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図２１は、コントローラユニットの機能を示すブロック図、図２２は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図２０に示すように、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池システムＡ６は、燃料電池Ｂ、コントローラユニットＣ、流入側組成測定器５５、流量調整部２０、及び流出側組成測定器６０を主要の構成としたものである。

流入側組成測定器５５は、流入路１１を流通する一方のガス（炭化水素燃料）の組成を測定するものであり、例えばガスクロマトグラフィである。
流出側組成測定器６０は、流出路１３を流通する排出ガス（炭化水素燃料）の組成を測定するものであり、上記と同様のガスクロマトグラフィである。

コントローラユニットＣは、図２１に示すように、上記したコントローラ３０と、ハードディスク等の記憶部３１とを有するものであり、その記憶部３１に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、次の機能を発揮する。

・燃料電池Ｂに流入する一方のガスに含まれるカーボン量（炭素量）と、その燃料電池Ｂから流出する排出ガスに含まれるカーボン量の比を算出する機能。この機能を、カーボンバランス算出手段３０ｇという。
この場合、ガス流量調整手段３０ｂは、カーボンバランス算出手段３０ｇで算出したカーボン量の比に基づき、上記流量調整部２０を介し、一方のガスの流量のみを増減調整する。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ６の動作について、図２２を参照して説明する。図２２は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）：燃料電池Ｂに流入する一方のガスに含まれるカーボン量（炭素析出量）と、その燃料電池Ｂから流出する排出ガスに含まれるカーボン量の比を算出してステップＳ２に進む。
ステップＳ２：燃料電池Ｂに流入する炭化水素燃料（一方のガス）の炭素析出量が所定値以上か否かを判定し、炭素析出量が所定値以上であると判定されればステップＳ４に進む。

ステップＳ３：一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減若しくは停止させるように、流量調整部２０を閉駆動してステップＳ４に進む。これにより、析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ４：燃料電池Ｂから流出する排出ガスの炭素析出量が所定値以下になったか否かを判別し、当該炭素析出量が所定値以下になったと判別されたときにはステップＳ５に進む。また、当該炭素析出量が所定値以下になっていないと判別されなければ、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ５：流量調整部２０を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ１に戻る。これにより、定常運転モードに切り替えている。

次に、第七の実施形態に係る燃料電池システムについて、図２３，２４を参照して説明する。図２３は、第七の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図、図２４は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第七の実施形態に係る燃料電池システムＡ７は、図２３に示すように、二つの燃料電池Ｂ１，Ｂ２、コントローラユニットＣ、二つの炭素析出検知センサ４１，４２、流量調整部２０，２０を主要の構成としたものである。

本実施形態において示す二つの炭素析出検知センサ４１，４２は、上記した炭素析出検知センサ４０と同様に、燃料電池Ｂ１，Ｂ２の各出力として出力電流をそれぞれ検知する電流計である。

流量調整部２０Ａ，２０Ｂは、炭化水素燃料の流入路１１Ａ，１１Ｂに配設した開閉弁２１Ａ，２１Ｂと、これらの開閉弁２１Ａ，２１Ｂをそれぞれ開閉駆動する弁駆動部（図示しない）を有して構成されたものであり、詳細を後述するコントローラユニットＣから出力される駆動信号により開閉駆動されるようになっている。

コントローラユニットＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、インターフェース回路等からなるコントローラと、ハードディスク等の記憶部とを有するものであり、その記憶部に記憶されている燃料電池システムに用いるプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。なお、図２３には、コントローラ、記憶部についてはいずれも図示していない。

燃料電池システムＡ７に用いるプログラムは、一の燃料電池Ｂ１に配設した炭素析出検知センサ４１によって検知した炭素析出量の増減を判別する機能と、当該炭素析出量に所定の増減があると判別したときには、流量調整部２０を介し、当該燃料電池Ｂ１に流入する一方のガスの流量を増減調整するとともに、他の燃料電池Ｂ２に流入する一方のガスの流量を減増調整する機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを内容としたものである。
本実施形態においては、コントローラユニットＣが、燃料電池システムを統制するコンピュータである。

具体的には、一の燃料電池の発電量を上記のようにして減少させたときには、その減少した発電量を補うように他の燃料電池の発電量を増加させているのである。これにより、全体として必要な発電量を確保することができる。
また、図示しない記憶部には、上記所要のブログラムの他、上記図６（Ａ），（Ｂ）に示すものと同様の判別基準情報を記憶している。

本実施形態における炭素析出判別手段３０ａは、上記炭素析出検知センサ４１，４２によってそれぞれ検知した炭素析出量の変化を判別する機能を有している。

また、ガス流量調整手段３０ｂは、炭素析出判別手段３０ａにより、一の燃料電池Ｂ１の出力電流に所定の増減があると判別したときには、上記流量調整部２０Ａを介し、一方のガス（炭化水素燃料）の流量のみを増減調整するとともに、他の燃料電池Ｂ２に流入する一方のガスの流量を減増調整する機能を有している。
本実施形態においても、各燃料電池において、空気の流入量を変えることなく、一方のガス（炭化水素燃料）の流量のみを増減調整している。

本実施形態においては、炭素析出判別手段３０ａにより、炭素析出検知センサ４１，４２によって検知した燃料電池Ｂの出力電圧が減少したと判別されたときに、流量調整部２０Ａ，２０Ｂを介し、各一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させている。

以上の構成からなる燃料電池システムＡ７の動作について、図２４を参照して説明する。図２４は、定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１（図中、単に「Ｓ１」と略記する。以下、同様。）定常運転モードにおいて、燃料電池Ｂ１，Ｂ２の出力電流の各減少量ΔＩ（２）が、出力電流の変化量ΔＩ（１）よりも大きくなった否かを判別する。ここで、いずれかの出力電流の減少量ΔＩ（２）が出力電流の変化量ΔＩ（１）よりも大きくなったと判別されれば、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２：出力電流が減少した燃料電池Ｂ１又はＢ２の流量調整部２０Ａ又は２０Ｂを、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を低減させるように閉駆動してステップＳ３に進む。このステップＳ２において、上記した定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えている。

ステップＳ３：出力電流が低減した燃料電池Ｂ１（Ｂ２）以外の燃料電池Ｂ２（Ｂ１）の流量調整部２０Ｂ（２０Ａ）を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ４に進む。
この場合、出力電流が減少した燃料電池Ｂ１（Ｂ２）の発電量を補うように、他の燃料電池Ｂ２（Ｂ１）の発電量を増加させるとよい。

ステップＳ４：出力電流が減少した燃料電池Ｂ１（Ｂ２）の出力電流の変化量ΔＩ（４）が、出力電流の所要の変化量ΔＩ（３）よりも大きいか否かを判別する。ここで、出力電流の所要の変化量ΔＩ（４）よりも、出力電流値の変化量ΔＩ（３）が大きいと判別されれば、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５：発電量が減少していた燃料電池Ｂ１（Ｂ２）の流量調整部２０Ａ又は２０Ｂを、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を増加させるように開駆動してステップＳ６に進む。

ステップＳ６：発電量を増加させていた燃料電池Ｂ２（Ｂ１）の流量調整部２０Ｂ（２０Ａ）を、一方のガス（炭化水素燃料）の流量を減少させるように開駆動してステップＳ１に戻る。これにより、定常運転モードに切り替えている。

以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・第七の実施形態において、二つの燃料電池を設けた構成のものを例として説明しているが、三つ以上の燃料電池を設けた構成のものに適用できることは勿論である。
・上述した各実施形態においては、コントローラユニットＣに各機能手段を発揮させた例について説明したが、各機能を複数のコントローラユニットＣに分散して発揮させてもよい。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 コントローラユニットの機能を示すブロック図である。 （Ａ）は定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えるための判断基準情報の説明図、（Ｂ）は析出カーボン処理モードから定常運転モードに切り替えるための判断基準情報の説明図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。 第二の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 （Ａ）は定常運転モードから析出カーボン処理モードに切り替えるための判断基準情報の説明図、（Ｂ）は析出カーボン処理モードから定常運転モードに切り替えるための判断基準情報の説明図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。 第三の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 コントローラユニットの機能を示すブロック図である。 析出カーボン処理モードにおける炭化水素燃料の送給状態を示す説明図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。 第四の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 コントローラユニットの機能を示すブロック図である。 （Ａ），（Ｂ）は、記憶部に記憶されている判別基準情報を示す説明図である。 再起動時、定常運転モード、及び析出カーボン処理モードにおける炭化水素燃料の供給状態を示す説明図である。 再起動時における発電モードを示すフローチャートである。 第五の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとを切り替える処理を示すフローチャートである。 温度調整機構を設けた場合における定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。 第六の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 コントローラユニットの機能を示すブロック図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。 第七の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 定常運転モードと析出カーボン処理モードとの切替え動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０，４０，４１，４２，５５，６０ 炭素析出検知センサ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 流量調整部
３０ａ 炭素析出判別手段
３０ｂ ガス流量調整手段
３０ｃ 経過時間判別手段
３０ｄ 再起動判別手段
３０ｅ 加熱開始手段
３０ｆ 加熱停止手段
３１ 情報記録媒体（記憶部）
５５ 流入側組成測定器
６０ 流出側組成測定器
４５ 経過時間計測部
５０ 温度調整機構
Ａ１〜Ａ７ 燃料電池システム
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２ 燃料電池

Claims (11)

1. 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、それら二種類のガスのうち、燃料極に流接する一方のガスの流通量を増減調整するための流量調整部と、上記燃料極の炭素析出を検知する炭素析出検知センサと、通常の発電を行うように一方のガスと他方のガスとを流通させる定常運転モードから、一方のガスの燃料電池への流入量を低減させ、かつ、他方のガスを定常運転モード時と同様に流通させる析出カーボン処理モードに切り替えるための判別基準情報を記憶した記憶部とを有する燃料電池システムであって、
   上記炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量と判別基準情報に基づいて、当該炭素析出量に所定量の増加があるか否かを判別する炭素析出判別手段と、
   この炭素析出判別手段により、当該炭素析出量に所定量の増加があると判別したときには、上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように低減させるガス流量調整手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 炭素析出検知センサは、燃料電池の出力として出力電圧を検知する電圧計であるとともに、記憶部には、定常運転モードにおける電圧値の変化量、予め設定した出力電圧の減少量を判別基準情報として記憶されており、
   炭素析出判別手段が、判別基準情報に基づいて、上記電圧計によって検知した燃料電池の出力電圧の増減を判別する出力判別手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 炭素析出検知センサは、燃料電池の出力として出力電流を検知する電流計であるとともに、記憶部には、定常運転モードにおける電流値の変化量、予め設定した出力電流の減少量を判別基準情報として記憶されており、
   炭素析出判別手段が、判別基準情報に基づいて、上記電流計によって検知した燃料電池の出力電流の増減量を判別する出力判別手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 一方のガスが炭化水素燃料であり、
   炭素析出検知センサに替えて、燃料電池に流入する炭化水素燃料の組成を測定する流入側組成測定器と、その燃料電池から流出する炭化水素燃料の組成を測定する流出側組成測定器とを配設しているとともに、
   炭素析出判別手段は、燃料電池に流出入する炭化水素燃料の組成の相違に基づき、当該炭素析出量に所定量の増加があるか否かを判別することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池、それら二種類のガスのうち、燃料極に流接する一方のガスの流通量を増減調整するための流量調整部、一方のガスの流通開始からの経過時間を計測する経過時間計測部、及び通常の発電を行うように一方のガスと他方のガスとを流通させる定常運転モードから、一方のガスの燃料電池への流入量を低減させ、かつ、他方のガスを定常運転モード時と同様に流通させる析出カーボン処理モードに切り替えるための判別基準情報を記憶した記憶部を設けた燃料電池システムであって、
   上記記憶部には、流量調整部を開状態にしておく開時間と、その流量調整部を閉状態にしておく閉時間とを判別基準情報として記憶されており、
   上記経過時間計測部によって所定の経過時間として上記開時間が経過したか否かを判別する経過時間判別手段と、
   この経過時間判別手段により、上記開時間が経過したと判別したときには、上記記憶部に記憶されている閉時間だけ上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように低減させるガス流量調整手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 発電停止後に再起動されたか否かを判別する再起動判別手段を有しており、
   上記再起動判別手段により、再起動したと判別されたときには、
   ガス流量調整手段は、流量調整部を介して一方のガスの流量のみを停止することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池を複数有しているとともに、それら各燃料電池に燃料極の炭素析出を検知する炭素析出検知センサと、上記炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量の増減を判別する炭素析出判別手段とを設けておき、
   上記炭素析出判別手段によって、上記各燃料電池のいずれかの炭素析出量に所定の増加があると判別したときには、
   ガス流量調整手段により、当該燃料電池に配設した流量調整部を介し、一方のガスの流量を低減し、かつ、他の燃料電池に配設した流量調整部を介して、当該他の燃料電池に流入する一方のガスの流量を増加させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 発電停止後に再起動されたか否かを判別する再起動判別手段と、燃料電池の温度を調整するための温度調整機構とを設けているとともに、
   再起動判別手段により、再起動したと判別されたときに、温度調整機構を介して燃料電池の加熱を開始する加熱開始手段を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 炭素析出判別手段により、炭素析出量が減少したと判別したときには、温度調整機構による燃料電池の加熱を停止する加熱停止手段を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量と判別基準情報に基づいて、当該炭素析出量に所定量の減少があるか否かを判別する炭素析出判別手段と、
    この炭素析出判別手段により、当該炭素析出量に所定量の減少があると判別したときには、上記流量調整部を、一方のガスの流量を増加させるように開駆動して、一方のガスの流量を、定常運転モードにおける流量に戻すガス流量調整手段とを有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 固体電解質型セルの燃料極と空気極とに、二種類のガスをそれぞれ流接させることによる発電を行う燃料電池と、それら二種類のガスのうち、燃料極に流接する一方のガスの流通量を増減調整するための流量調整部と、上記燃料極の炭素析出を検知する炭素析出検知センサと、通常の発電を行うように一方のガスと他方のガスとを流通させる定常運転モードから、一方のガスの燃料電池への流入量を低減させ、かつ、他方のガスを定常運転モード時と同様に流通させる析出カーボン処理モードに切り替えるための判別基準情報を記憶した記憶部とを有する燃料電池システムに用いるプログラムであって、
    上記炭素析出検知センサによって検知した炭素析出量と判別基準情報に基づいて、当該炭素析出量に所定量の増加があるか否かを判別する機能と、
    当該炭素析出量に所定量の増加があると判別したときには、上記流量調整部を介し、一方のガスの流量のみを燃料電池の出力の減少に対応した流量となるように低減させる機能とを、燃料電池システムを統制するコンピュータに実現することを特徴とする燃料電池システムに用いるプログラム。

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